本科毕业论文年产16万吨丙烯酸氧化工艺初步设计.docx

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本科毕业论文年产16万吨丙烯酸氧化工艺初步设计

第一章项目基本情况介绍

1.1设计的目的和意义

（1）为了巩固和运用所学的专业知识，理论联系实际；

（2）培养工艺观点、训练观察、分析和解决工程实际问题及独立工作能力；

（3）掌握专业生产实际知识和技能，学习操作控制的方法。

1.2设计内容

化工厂年产16万吨丙烯酸氧化工艺的初步设计

1.3设计依据

1、国家发展计划委员会办公厅计办投资[2002]15号《投资项目可行性研究指南》

2、国家计划委员会、建设部计投资[1993]530号《关于印发建设项目经济评价方法与参数的通知》及《建设项目经济评价方法与参数》（第二版）

1.4研究目的及意义

丙烯酸系单体面临一个扩展的热潮，世界上形成了一个投资兴建丙烯酸及酯单体装置的热潮。

国内丙烯酸生产企业的工艺技术大多从日本引进，投资额较高。

采用国内技术、设备和催化剂，将会大幅降低投资和生产成本，提高产品竞争力。

我国丙烯酸行业应加快丙烯酸生产工艺及催化剂的国产化，形成自主知识产权，将有利于丙烯酸行业的健康发展。

作好市场分析、应用开发、生产规划和工艺研发，对于我国丙烯酸工业的良好发展具有重要意义。

第二章丙烯酸概述

2.1丙烯酸概述

丙烯酸是一种重要的有机化工原料，大多数用以制造丙烯酸甲酯、乙酯、丁酯、羟乙酯等丙烯酸酯类。

丙烯酸及丙烯酸酯可以均聚及共聚，其聚合物用于合成树脂、合成纤维、高吸水性树脂、建材、涂料等工业部门。

丙烯酸及其系列产品，主要是其酯类，近年得到迅速发展。

如象乙烯、丙烯、氯乙烯、丙烯腈等那样，发展成为重要的高分子化学工业的原料。

2.2丙烯酸合成工艺

丙烯酸的生产历程经历了这几个阶段:

1氯乙醇法，2丙烯腈水解法，3烯酮法，4雷普法，5丙烯直接氧化法。

第三章丙烯酸氧化工艺流程

3.1丙烯酸氧化反应原理

丙烯直接氧化制丙烯酸一步或两步分。

一步反应设备简单，工艺流程短，催化剂，投资少等优点，但也有几个突出的缺点：

一是在反应器中两氧化反应催化剂，被迫适应不同反应的要求，有效地催化作用的影响，丙烯酸收率低；

（2）这两个反应合并为一步，反应热效应。

降低反应热，只有降低丙烯达到浓度，使生产能力低。

催化剂的寿命短，导致经济不合理。

目前工业上主要采用两步法生产，在氧化丙烯的第一步，丙烯醛，丙烯醛生产丙烯酸二步氧化。

丙烯氧化法通过以下两种表示的主要反应丙烯酸两步。

因此，及时、有效地去除反应过程的反应热是一个严重的问题。

除了主要的反应，以及大量的副作用的发生。

主要产品有一氧化碳和二氧化碳等氧化物和乙醛的深度，醋酸和丙酮。

因此，它是提高选择性和目标产物的收率非常重要。

为了实现这一目标，我们必须使用高活性，在反应过程中催化剂的选择性高。

因为丙烯酸生产的分步进行，所以每个反应的催化剂是不同的。

丙烯到丙烯醛的氧化和催化剂的钼铋铁钴的第一步反应，再加入少量其它元素，在钼酸盐催化活性的形式。

以丙烯酸和催化剂的丙烯醛的氧化二步反应是mo-v-cu，通常需要添加助剂。

3.2氧化工艺流程简图

表3.2氧化工艺流程简图

3.3氧化工艺流程叙述

液态丙烯由罐区进入V-1101（丙烯消气罐）缓冲消气，由E-1101（丙烯蒸发器）进行气化，为防止已气化的丙烯在后部冷凝，用E-1102（丙烯过热器）将其稍微过热，从E-1102出来的过热丙烯气体进入M-1102（R-1101进料混合器）与混合空气混合。

空气混合气与过热丙烯在M-1102中混合后进入R-1101（列管式固定床氧化第一反应器），气体通过催化剂床层（催化剂为MA-F87）在一定温度下进行快速的催化反应，得到丙烯醛等产物，R-1101出口气体（丙烯醛、丙烯酸、C、CO、N2、CO2、O2等）和补加空气在M-1103（R-1102进料混合器）中混合后进入列管中填充MA-S87催化剂的固定床反应器R-1102中进行进一步氧化生成丙烯酸。

R-1102出口气体经E-1108用BFW冷却后由塔斧进入T-3101A（急冷吸收塔）与塔底循环冷凝液接触被迅速冷却，塔底液经Z-3131A/B过滤后由P-3131A/B分两路送出：

一路经换热器E-3131A被循环水冷却后，一部分返回后塔底喷淋，另一部分经板式换热器E-31622A进一步冷却，冷却后的丙烯酸大部分作P-3162A/B（T-3102真空泵）的密封液返回T-3101A塔底，其余作E-3122A（T-3102塔底冷凝器）和E-3162A（T-3102A放空冷凝器）的喷淋；另一路经P-3131A/B送出，一部分送回T-3101A作塔斧喷淋，另一部分送至T-3102A（汽提塔）塔顶；残留的气体则导入吸收塔上部，几乎全部被来自T-3104A塔的急冷水（与阻聚剂同时加入）在塔顶作喷淋吸收，吸收后堰流返回塔底，尾气作为废气:

一路被排往焚烧炉进行焚烧，一路经K-1102压缩返回M-1101作补充气进入反应系统（循环气），另一路据工艺生产情况而选择性放空。

由T-3101A塔底泵P-3131A/B送出的丙烯酸水溶液，由T-3102A（有15层塔板的堰板式塔）塔顶流入，经溢流堰进入塔底，塔底液再经再沸器E-31321A加热蒸发的热气体与塔流下的溶液逆向接触：

气体中高浓度丙烯酸落入塔底；塔顶气相经E-3122A（T-3102塔顶冷凝器）冷凝，未凝气体进入E-31621A（T-3102A放空冷凝器）被LWS进一步冷凝，冷凝液与E-3122A冷凝液一起返回T-3101A塔底，而E-31621A出来的不凝气体由P-3162A/B送回T-3101A塔底，继续循环；T-3102A塔底液由P-3132A/B送出经E-31322A进一步冷却后送至罐区V-5101A/B或精制T-3105塔。

第四章氧化工艺开停车规范

4.1开车操作规程

4.1.1开工确认

确认各设备、容器、反应器、机泵、管线、阀门等符合开车条件；确认公用工程具备引入条件；确认消防、安全、环保设施齐全；阻聚剂的配制符合投用标准。

4.1.2开工准备

引入公用工程：

循环水、仪表空气、氮气（LN、N2）、脱盐水、蒸汽系统（ＭＳ、ＬＳ、ＬＬＳ）、冷冻水等。

确认丙烯放空具备放空条件丙烯气化工序LN置换

4.1.3单元预开车

适当开启热水、蒸汽系统去装置管线、换热器、调节阀上的保护阀及调节阀（TV1002、E1103、M1101、M1102、M1103、E1104、TV1005、TV1006、TV1010、FV1010abc、FV31011等）附近的导淋，进行排凝。

设定塔循环管线，向T3101内注入适当量的丙烯酸，待塔内见液位后开启过滤器Z3131前阀及顶部排气阀进行排气，排气后打开P3131A/B前后阀及P3131A/B进T3101塔斧回流阀，启动离心泵P3131A/B，建立T3101塔斧循环，投用E3131、E31622后调整T3101的回流量，稳定P3131A/B出口压力。

4.1.4反应器升温

确认反应器系统已符合升温条件；设定反应器升温流程（大气

V1103

K1102

M1101

E1104

M1102

R1101

M1103

R1102

E1108

T3101

大气）；打开V1103上部人孔及K1102进出口蝶阀；启动K1102【1】；经设定的流程向系统中送经E1104加热的空气，将反应器温度升至熔盐装填温度（R1101各测温点180℃左右，R1102各测温点100℃左右）；投用反应器系统2.0MPa蒸汽伴热（熔盐泵套、电加热器套、熔盐控制阀套、熔盐通入和排放及溢流管管线及阀套伴热）；待反应器温度升至熔盐装填温度，停K1102【2】；循环气系统恢复投用循环气前状态。

确认汽包系统已符合升温条件；设定蒸汽进入汽包系统流程；打开V1104的2.0MPa蒸汽升压阀通入蒸汽（凝液排入E1109），升压至2.0MPa。

确认锅炉水系统符合建立循环的条件（管路已设定、各机泵可正常运行）；打开LV1010前后保护阀；调节LV1010开度向V1105加脱盐水；投用V1110；当V1105液位达到75%启动P1107向V1106加BFW，当V1106液位达到75%启动P1105、P1106；维持V1105、V1106液位及机泵出口压力正常。

确认E1108系统符合升温升压条件；打开LV1008向E1108加水至液位达45%；打开PV1017旁通阀进行E1108升压，升压至0.3MPa；维持液位和压力。

确认反应器系统已符合HTS装填条件；各机泵、调节阀、夹套阀正常；先打开R1101HTS进冷区上盐夹套阀（P1102、E1106、H1102底部夹套阀）；打开P1103出口阀和V1102熔盐循环阀；启动P1103；逐渐关闭循环阀，测量冷区HTS液位，待HTS液位达到一定高度，逐渐关闭上盐夹套阀打开循环阀，停止向冷区打盐；打开R1101热区上盐阀（P1101A/B、E1105、H1101底部夹套阀），逐渐关闭循环阀，向热区打盐，待热区HTS液位达到一定高度，关闭上盐夹套阀，打开循环阀，停止向R1101热区打盐；打开R1102上盐夹套阀（P1104A/B、E1107A/B、H1103底部夹套阀），逐渐关闭循环阀，测量R1102中HTS液位，待HTS液位达到一定高度，逐渐关闭上盐夹套阀打开循环阀，停止向R1102中打盐；停止P1103；循环管线中无熔盐流出后关P1103出口阀和熔盐循环阀；HTS装填结束；正确启动P1102、P1101A/B、P1104A/B【3】使HTS在反应器中循环；投用H1101、H1102、H1103并调节TV1107、TV1128、TV1206A/B继续给反应器升温（TV1107升至345℃，TV1206A/B升至265℃）

4.1.5焚烧炉开车

启动P1106，打开LV303往E03（余热锅炉）打MBF；E03液位45%左右时控制LV303使E03液位保持稳定；打开E03产汽阀；稍开C01至点火器蝶阀及C01至旋风分离器蝶阀，启动C01；确认天然气切断阀保护阀打开，打开起火器电源并复位，将切断阀切自动，插入点火器，点火；稍开天然气进气阀，控制天然气进入焚烧炉的量，调节C01入口导叶，控制空气进入焚烧炉的量，控制RO1升温速度；维持E03出口温度及E03产气压力。

4.1.6向M-1102加N2

开XV1003后保护阀，将PID1012切至【关】，开FV-1008，向系统加入LN，进行LN吹扫；

4.1.7向反应系统加空气

停止向反应器系统通仪表空气；打开M1101、M1102、M1103底部导淋排凝；确认空气压缩机的启动条件；打开过热蒸汽入口3寸导淋排净蒸汽中带的水；打开四个疏水阀、蒸汽主管旁通阀及速关阀进行暖机；待过热蒸汽温度和压力符合要求之后打开蒸汽入口大阀并逐渐关3寸导淋；在控制室启动调速器并低速（1000转）暖机30min；暖机后适当调节转速及导叶开度增加进入系统的空气量（K1101负荷增加过程中要缓慢调节转速及导叶开度并注意水击和轴承升温并注意机组的振动、噪音、温度、气量等）；调节FV1002和FV1011调整至开车空气流量后，缓慢关HV-1402，调整PV-31011控制系统压力9.8Kpa左右。

4.1.8向M-1101加MS

控制室给FV1010a手动置值进行管线排凝；缓慢打开FV-1010AB/C后蒸汽保护阀，向M1101加入MS（须注意，加入MS后将影响R-1101、R-1102温度），待M1101、M1102、M1103底部导淋排凝完毕后关闭各个排凝导淋。

4.1.9反应器撤热

确认V1104蒸汽压力已升至所需值；打开LV1005前后保护阀；打开XV1012前保护阀；在控制V11O4压力一定的情况下启动P1106往V1104加MBF；待V1104液位稳定后打开E1105加水大阀，调节反应器系统调节阀TV1107、TV1128、TV1206A/B，降低反应器温度至TI1107为325℃，TI1128为245℃，TI1206为255℃。

4.1.10T3101、T3102调整操作

通过控制回流量和调节LV31011控制T3101的液位为45%；通过T3101塔温控制系统控制塔顶温度为63℃；投用T3102塔再沸器；正确启动P3162，并投用阻聚空气；启动P3141【4】，向T3101加阻聚剂。

4.1.11丙烯受入

启动P6101，开丙烯管线受入阀，V1101开始接受丙烯，缓慢开V1101放空阀进行N2置换，关闭放空阀；开LV1001，E1101受入丙烯，缓慢开安全阀副线进行N2置换，调整PV1002和TV1002控制E1101顶部气相压力为0.6Mpa左右，E1101的丙烯液位达到45%；稍开PDT1004，启动P1108，启动冷冻机组，打开PV1002往E1101加入冷冻水；打开TV1002前后保护阀，调节加入E1101中冷冻水的温度；保持E1101顶部气相压力为0.6Mpa左右，E1101的丙烯液位达到45%。

4.1.12E-1102通LLP

确认E1102蒸汽冷凝液回水阀门打开，疏水器组投入使用；稍开TV1006前的导淋进行暖管，开TV1006控制温度E1102出口丙烯温度为50℃。

投丙烯前投第一批联锁。

4.1.13丙烯气化投入

（在加丙烯前需要确认以下项目：

T-3101的下流量达到规定值,阻聚剂147L/h；R-1101、R-1102及周围吹扫LN处于工作状态；各部分的伴热处于工作状态；焚烧炉系统操作稳定；加入M-1102的N2流量在规定值；加入M-1101的MP在规定值；FV-1002、FV-1011的流量在规定值；从M-1102导淋阀取样分析N2的浓度；应急氮气处于备用状态；反应器盐浴温度已降到位）

调节TV1002、PV1002控制E1101顶部气相压力为0.6Mpa左右，调节LV1001保持E1101的丙烯液位为45%；调节TV1006保持E1102出口丙烯温度为50℃；打开E1102出口保护阀，手动缓慢开FC-1007加入丙烯，缓慢增加丙烯加入量（注意：

丙烯加入过程中R1101床层温度会开始上升，要及时予以调整，且丙烯加入过程中也应及时调整各系统，维持各系统正常运行）；丙烯加入后,T-3102塔釜液位高于45%时排液至V-5101。

4.1.14提升投料负荷至70%

按照投料表缓慢改变FIC1007（丙烯量）；同时根据投料负荷表改变FIC1002（空气量）、FIC1011（补加空气量）、FIC1010a（蒸汽量）；每增加一次丙烯负荷，都应注意各个系统的变化并予以及时调整，待稳定后再增加丙烯负荷；负荷30%后投第二批联锁；继续提升符合至70%，确认丙烯在70%负荷下稳定后，往系统切循环气。

4.1.15切入循环气

确认循环气系统具备使用条件；开K1102出入口蝶阀；正确启动K1102，打开FV1022前的导淋排凝；K1102稳定运行后调节FV1022至流量显示稳定；投用第三批联锁；70%负荷后FV-1008缓慢减量至关闭并进行循环气替代蒸汽操作；循环气切入结束后投最后一批联锁。

4.1.16提升负荷

循环气切入结束稳定运行一段时间后改变FIC1007（丙烯量）、FIC1002（空气量）、FIC1011（补加空气量）、FIC1022（循环气量）、FIC1010（蒸汽量）阀位继续提升负荷至100%；确认丙烯在100%负荷下稳定生产。

注：

启动K1102：

确认K1102具备投用条件；投用润滑油系统；启动润滑油泵；打开K1102进出口蝶阀及排水导淋；启动主电机，关闭防喘振阀副线；注意K1102运行状况；调整FV1022调节循环气量。

停K1102：

缓慢关闭FV1022，打开防喘振阀，关闭主电机（油泵继续运转），停冷却器冷却水，停电机冷却器冷却水；启动P1101A/B、P1102、P1104A/B：

先启动P1102，在同时启P1101A和P1101B；P1104A/B要同时启动。

启动P3141：

检查阻聚剂系统可正常投用；打开P3141进出口阀；启动P3141；调节P3141泵冲程至合适值；检查泵是否正常运转。

4.2氧化停车注意事项

当发生紧急停车时，切记第一步必须切断丙烯进料，控制室关闭LV1001，FV1007，关闭PV-31011,现场关闭E1102出口保护阀，FC-1007后保护阀，V-1101前保护阀，LV-1001前后保护阀。

4.2.1华谊系统连锁停车操作及注意事项

在紧急停车15秒后关闭E1102出口保护阀、FC-1007后保护阀、V-1101进E1101保护阀、LV-1001前保护阀；控制E-1101压力为0.6Mpa左右，如果E-1101压力过高（超过1.0Mpa时），缓慢打开E-1101安全阀副线放空；关闭XV1003后保护阀；在紧急停车时，K-1101会自动切断入口蒸汽并停止运行，此时应当检查并确保K-1101的润滑油系统运行正常；K-1102同步停车，关闭V-1103出入口阀门，关闭FV-1022；关闭FV1002；关闭FV1010ab后保护阀；关闭K1101蒸汽大阀，打开蒸汽大阀后的导淋进行排气，打开K1101和K1102防喘振阀副线，同时检查并确保事故氮气已经投入；确认T3101放空阀HV1402打开，进焚烧炉阀PV31011关闭；在系统停止后由MP向LP、LLP系统窜气确保U-200系统稳定；K1101每15min盘车一次直至压缩机完全冷却，每小时检查现场运行设备一次；在紧急停车时，立即检查P-1101A/B、P-1102、P-1104A/B的运行状态；同时检查熔盐系统膨胀槽内的液位，防止液位过低时对泵产生破坏作用；停止反应器的各点LN吹扫；并将M-1101的IA通入系统；每30min检查P1101A/B、P1102、P1104A/B一次；关闭FV31321前的保护阀；停真空泵P3162；将T3102出料切至罐区，待T3102塔无液位后听通知现场停P3132，打开P3132进料过滤器导淋进行排液；【必要时也需要改变E3131循环水蝶阀开度及大副线开度控制T3101塔回流液温度以调节塔顶温度】；停P1106泵，停止向V1104加MBF，关闭XV1012前保护阀；【打开V1104、E1105、E1106、E1107A/B、E1108排污阀（控制室通知）】；关闭E1103、E1104蒸汽保护阀；注意焚烧炉床层温度并及时调整天然气量；待事故氮进入系统后关闭XV1004、XV1005前保护阀，正确启动液氮泵对V1107进行充压；在紧急停车时，控制室立即关闭LC-1001、FC1007，PV31011并平衡蒸汽系统压力防止系统超压，将TV-1107、TV-1128、TV-1206阀门关闭（反应器超温停车除外）；关闭LV-1008、PV1017、FIC31321；关闭LV1005并通知现场人员停P-1106A/B；关闭LV31011控制T3101、T3102液位，待T3102无液位后通知现场停P3132；关闭FV1002、TV1005、TV1010、FV1022、TV1006，同时控制室连锁消铃，不可以复位；关XV1004、XV1005，V1107充事故氮，观察事故氮流量是否正常；

4.2.2华谊系统、西安系统连锁停车操作及注意事项

按【华谊系统连锁停车操作及注意事项】外还应做到以下几点：

1.保护触媒；

2.平衡蒸汽系统压力；

3.保证7.0MPa管网压力不低于0.55MPa；

4.根据精制单元需求，运行P1105、P1106、P1107泵；

特别注意：

停废液炉、焚烧炉，开省煤器下四个导淋；保证锅炉水系统正常运行；现场操作人员操作应准确无误，冷静处理问题。

第五章物料衡算

5.1氧化工艺基本参数

表5.1氧化工艺基本参数

反应器

基本参数

设计取值

一段反应器

丙烯进料浓度/%（摩尔分数）

8.7

进料中氧气/丙烯（摩尔比）

1.80

进料中水蒸气/丙烯（摩尔比）

0.76

反应温度/℃

325

空速/h-1

1450

二段反应器

丙烯醛进料浓度/%（摩尔分数）

6.4

氧气/丙烯醛（摩尔比）

1.05

水蒸气/丙烯醛（摩尔比）

2.11

反应温度/℃

260

空速/h-1

1650

反应器入口气体组成：

原料丙烯、空气中的氧气以及水蒸气。

不同的催化剂选择不同的丙烯浓度，一般在7.0%~10.0%之间；氧烯比一般控制在1.8:

1~2.0:

1之间，过低和过高的氧烯比会影响丙烯的转化率和选择性；反应温度：

一段反应一般为300~400℃，二段反应一般在250~320℃。

全装置总收率按88%计，损耗（包括工艺损耗、机械损耗）为12%；其中一段反应器丙烯醛的收率可达90.5%，丙烯酸收率可达6%；二段反应器中丙烯醛的转化率可达99.2%，丙烯酸产率可达95.2%。

5.2计算基准

此过程属于连续操作过程，计算基准选时间，单位为kmol/h。

5.3计算

在生产过程中以氧化反应为主，不考虑副反应，也不对副反应进行物料衡算。

5.3.1第一反应器物料衡算

（1）丙烯进料量：

每小时生产量：

80000÷8000=10t丙烯酸

需要98%的丙烯：

10×0.775=7.75t/h=7750kg/h=184.18kmol/h

以184.18kmol/h为基准，扣除损耗的1%丙烯

应有丙烯醛和丙烯酸：

184.18×（1－0.01）=182.34kmol/h

第一反应器按氧化反应总转化率96.5%计；

98%的丙烯进料量：

182.34÷0.965=188.95kmol/h

原料中含丙烯98%，则原料量应为：

188.95÷0.98=192.8kmol/h

（2）水蒸气进料量：

0.76×192.8=146.52kmol/h

（3）氧气进料量：

1.8×192.8=347.04kmol/h

总气体进料量：

192.8÷8.7%=2216.09kmol/h

空气进料量：

2216.09－192.8－146.52=1876.77kmol/h

（4）丙烯醛出料量：

192.8×90.5%=173.52kmol/h

（5）丙烯酸出料量：

192.8×6%=11.56kmol/h

（6）副产物：

192.8×2.5%=4.82kmol/h；丙烯损失量：

192.8×1%=1.928kmol/h

总出料量：

173.52+11.56+4.82+1.928+1876.77+146.52=2215.12kmol/h

第一氧化反应器物料平衡表下图所示

表5.2第一氧化反应器物料平衡表

物料

分子量g·mol-1

密度

kg·m-3

粘度

Pa·s

摩尔进料量kmol·h-1

摩尔出料量kmol·h-1

丙烯

42.08

1.914

1.6×10-5

192.8

空气

28.95

1.293

1.81×10-5

1876.77

1876.77

水蒸气

18.02

1.00

0.98×10-5

146.52

146.52

丙烯醛

56.06

0.8402

0.393×10-3

173.52

丙烯酸

72.06

1.0511

1.149×10-3

11.56

副产物

4.82

损失

1.928

催化剂

合计

2215.12

2215.12

5.3.2第二反应器物料衡算

（1）丙烯醛进料量：

173.52kmol/h

（2）水蒸气进料量：

2.11×173.52=366.12kmol/h

（3）氧气进料量：

1.05×173.52=182.2kmol/h

总气体进料量：

173.52÷6.4%=2711.25kmol/h

空气进料量：

2711.25－173.52－366.12=2171.61kmol/h

（4）丙烯酸进料量11.56kmol/